Chapitre III
Structures algébriques usuelles
Table des matières
Partie A : Groupes 2
1. Structure de groupe ......................................... 2
2. Sous-groupes ............................................. 3
3. Morphismes de groupes ....................................... 4
4. Le groupe Z/nZ........................................... 7
5. Groupes monogènes ......................................... 8
6. Ordre d’un élément ......................................... 10
Partie B : Anneaux 10
1. Structure d’anneau ......................................... 10
2. Sous-anneaux ............................................ 12
3. Inversibles d’un anneau ....................................... 12
4. Morphismes d’anneaux ....................................... 13
5. Idéaux d’un anneau commutatif .................................. 14
6. L’anneau Z/nZ........................................... 16
Partie C : Anneaux de polynômes 18
1. Propriétés arithmétiques élémentaires ............................... 19
2. Idéaux de K[X]........................................... 20
3. Propriétés relatives au PGCD ................................... 20
4. Décomposition d’un polynôme en facteurs irréductibles ..................... 22
Partie D : Algèbres 23
1. Structure d’algèbre ......................................... 23
2. Sous-algèbres ............................................. 23
3. Morphismes d’algèbres ....................................... 24
4. Algèbres et polynômes ....................................... 24
1
Groupes
Partie A
Partie A
1. Structure de groupe
Dénition 1.
Dénition 1. gGroupeGroupe
Soit Gun ensemble et une loi de composition interne sur G. On dit que le couple (G, )est
une structure de groupe, ou plus simplement Gest un groupe (muni de la loi ), si :
i) Associativité :x, y, z G,
(xy)z=x(yz);
ii) Élément neutre :eG, xG,
ex=x=xe;
iii) Symétrique :xG, yG,
xy=e=yx.
On dit de plus qu’un groupe Gest commutatif si :
iv) Commutativité :x, y G,
xy=yx.
Remarque 1.
Remarque 1.
On rappelle deux des principales notations pour la loi d’un groupe :
La notation additive (G, +) qui est utilisée exclusivement dans le cas commutatif. Dans
ce cas, l’élément neutre est noté 0et le symétrique de xGest noté x.
La notation multiplicative (G, .)(ou (G, ×)) qui peut s’employer dans les cas commutatifs
ou non. Dans ce cas, l’élément neutre est souvent noté eou 1et le symétrique de xG
est noté x1.
Exemple 1.
Exemple 1.
Les ensembles de nombres suivants munis de l’addition sont des groupes :
Z,Q,R,C.
Les ensembles de nombres suivants munis de la multiplication sont des groupes :
Q,Q
+,R,R
+,C,U,Un(pour nN).
Pour Xun ensemble, l’ensemble SXdes permutations de X(i.e. des bijections de Xdans
X) est un groupe pour la composition.
Pour K=Rou Cet nN, L’ensemble GLn(K)des matrices inversibles est un groupe
pour le produit matriciel.
2
Pour nN, l’ensemble On(R)des matrices orthogonales est un groupe pour le produit
matriciel.
Proposition 1.
Proposition 1. gStructure de groupe produitStructure de groupe produit
Soit (G1, .),(G2, .)des groupes et on note G=G1×G2. On considère la loi de composition
suivante sur G: pour (x1, x2),(y1, y2)G,
(x1, y1).(x2, y2) := (x1x2, y1y2).
Alors Gmuni de cette loi est un groupe et :
L’élément neutre de Gest e= (e1, e2)e1est l’élément neutre de G1et e2l’élément
neutre de G2.
Le symétrique de (x1, x2)G, est (x1
1, x1
2).
Remarque 2.
Remarque 2.
Par récurrence, on peut ainsi munir un produit ni de groupes d’une structure de groupe.
2. Sous-groupes
a. Généralités
Dénition 2.
Dénition 2. gSous-groupeSous-groupe
Soit Gun groupe et HG. On dit que Hest un sous-groupe de Gsi :
Hest non vide ;
pour tous x, y H,x.y H;
pour xH,x1H.
Proposition 2.
Proposition 2. gCaractérisation des sous-groupesCaractérisation des sous-groupes
Soit Gun groupe et HG. Alors Hest un sous-groupe de G, si, et seulement si :
i) L’élément neutre ede Gappartient à H;
ii) pour tous x, y H,x.y1H.
Exemple 2.
Exemple 2.
Si Gest un groupe, {e}et Gsont des sous-groupes de G. On les appelle les sous-groupes
triviaux de G.
La chaîne d’inclusions suivante est également une chaîne de sous-groupes :
ZQRC
3
Pour tout nN,Unest un sous-groupe de U.
Soit nN,On(R)est un sous-groupe de GLn(R).
b. Sous-groupe engendré par une partie
Proposition 3.
Proposition 3. gIntersection de sous-groupesIntersection de sous-groupes
Soit Gun groupe et (Hi)iIune famille quelconque de sous-groupes de G. Alors
iI
Hiest un
sous-groupe de G.
Autrement dit, une intersection quelconque de sous-groupes est un sous-groupe.
Dénition-Proposition 3.
Dénition-Proposition 3.
Soit Gun groupe et AG. On note Al’intersection de tous les sous-groupes de Gcontenant
A, i.e.
A=
H∈HA
HHA={Hsous-groupe de G|AH}.
Alors Aest le plus petit sous-groupe de Gcontenant Aet on l’appelle le sous-groupe en-
gendré par A.
Si de plus A=G, on dit que Aengendre G.
Exemple 3.
Exemple 3.
Soit nN. Le groupe Sndes permutations de J1, nKest engendré par les transpositions.
c. Exemple important : les sous-groupes de Z
Théorème 1.
Théorème 1. gDivision euclidienneDivision euclidienne
Soit aZet bN. Alors il existe un unique couple (q, r)Z×Ntel que :
a=bq +ret 0r < b.
Théorème 2.
Théorème 2.
Soit HZ. Alors Hest un sous-groupe de (Z,+), si, et seulement si, il existe nNtel que
H=nZ.
4
3. Morphismes de groupes
a. Dénition
Dénition 4.
Dénition 4. gMorphisme de groupesMorphisme de groupes
Soit G1, G2des groupes et f:G1G2.
On dit que fest un morphisme de groupes si, pour tous x, y G1:
f(xy) = f(x)f(y).
Exemple 4.
Exemple 4.
L’exponentielle est un morphisme de groupes de (R,+) dans (R
+,×).
Le déterminant est un morphisme de groupes de (GLn(K),×)dans (K,×).
Soit nN. La signature εest un morphisme de groupes de (Sn,)dans ({−1,1},×)
b. Noyau, Image et sous-groupes
Dénition 5.
Dénition 5. gNoyau, Image d’un morphisme de groupesNoyau, Image d’un morphisme de groupes
Soit G1, G2des groupes d’éléments neutres respectifs e1,e2et f:G1G2un morphisme de
groupes.
On appelle noyau de fl’ensemble Ker(f) = {xG1|f(x) = e2}.
On appelle image de fl’ensemble Im(f) = f(G1) = {f(x)|xG1}.
Lemme 1.
Lemme 1.
Soit G1, G2des groupes d’éléments neutres respectifs e1,e2et f:G1G2un morphisme de
groupes. Alors :
f(e1) = e2;xG1, f(x1) = f(x)1et xG1,nN, f(xn) = f(x)n.
Proposition 4.
Proposition 4.
Soit G1, G2des groupes, H1, H2des sous-groupes de G1, G2respectivement et f:G1G2un
morphisme de groupes. Alors :
f1(H2)est un sous-groupe de G1;
f(H1)est un sous-groupe de G2.
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